一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，涉及力的測量領域。本發明是為了解決現有的傳感器不能實現多維測量及測量精度低的問題。納米諧振腔嵌在三個微懸臂梁傳感器上；二號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的XOZ平面上，且二號基座位于Y軸負方向，一號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的XOY平面上，且一號微懸臂梁傳感器基座位于Z軸負方向，三號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的YOZ平面上，且L形基座位于X軸正方向，一號微懸臂梁傳感器分別垂直于二號微懸臂梁傳感器和三號微懸臂梁傳感器，且一號微懸臂梁傳感器一個側面與二號微懸臂梁傳感器首端側面、三號微懸臂梁傳感器的外側面位于同一平面內。本發明適用于對三維力進行測量。
【專利說明】一種三維納米尺度光子晶體力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及力的測量領域。
【背景技術】
[0002]目前，已知的納米力傳感器多數利用彈性體機械形變來間接實現力的測量。對于機械形變的測量主要由電容式和壓電式兩種方法。電容式的形變測量輸出為非線性，并且寄生電容對靈敏度和精度的影響較大；壓電式形變測量對濕度要求較高，其應用范圍受到了極大地限制。因此，現有的傳感器存在著測量精度低和不能實現三維測量的缺點。
【發明內容】
[0003]本發明是為了解決現有的傳感器不能實現三維測量及測量精度低的問題。現提供一種三維納米尺度光子晶體力傳感器。
[0004]一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，它包括一號微懸臂梁傳感器、二號微懸臂梁傳感器、三號微懸臂梁傳感器和納米諧振腔，
[0005]所述一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器的結構相同，所述一號微懸臂梁傳感器為長方體的平板結構，該平板結構的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔，所述納米諧振腔平行于所述平板結構的短邊；在所述兩條納米諧振腔與所述平板結構的末端之間的背面設置有凸起的基座；
[0006]二號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的XOZ平面上，且二號微懸臂梁傳感器的基座位于Y軸負方向，一號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的XOY平面上，且一號微懸臂梁傳感器的基座位于Z軸負方向，所述一號微懸臂梁傳感器位于二號微懸臂梁傳感器兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器一個側面與二號微懸臂梁傳感器首端側面位于同一平面內；
[0007]所述三號微懸臂梁傳感器為L形的平板結構，且所述三號微懸臂梁傳感器的底端為L形基座，所述L形的平板結構的內側面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔，所述納米諧振腔平行于所述L形的平板結構的頂邊，且所述納米諧振腔位于YOZ面上，所述三號微懸臂梁傳感器位于三維直角坐標系的YOZ平面上，且三號微懸臂梁傳感器的L形基座位于X軸正方向，所述一號微懸臂梁傳感器的頂端垂直且平分三號微懸臂梁傳感器的L形基座，且一號微懸臂梁傳感器的一個側面與三號微懸臂梁傳感器的外側面位于同一平面內。
[0008]納米諧振腔的形狀為帶狀。
[0009]一號微懸臂梁傳感器上的兩條納米諧振腔的長度與所述一號微懸臂梁傳感器的寬度相等。
[0010]所述納米諧振腔為三維光子晶體。
[0011]本發明適用于對三維力進行測量。
[0012]本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，將納米諧振腔與微懸臂梁相結合，通過限定三個微懸臂梁傳感器的位置關系，使得X方向、Y方向和Z方向上的力的測量互不干擾，從而實現對X方向、Y方向和Z方向上的三維力進行測量，實現了三維測量，且采用納米諧振腔提高了測量精度，相比現有的微懸臂梁傳感器，精度提高了 30%以上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的立體圖；
[0014]圖2是圖1的Z向視圖；
[0015]圖3是圖1的X向視圖；
[0016]圖4是將納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上的制備過程；
[0017]圖5是本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的測量原理；
[0018]圖6是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，X方向分力和輸出波長的變化關系曲線.[0019]圖7是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Y方向分力和輸出波長的變化關系曲線.[0020]圖8是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Z方向分力和輸出波長的變化關系曲線.[0021]圖9是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，X方向分力和輸出波長增量的變化關系曲線；
[0022]圖10是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Y方向分力和輸出波長增量的變化關系曲線；
[0023]圖11是當懸臂梁長為30 μ m寬為15 μ m時，Z方向分力和輸出波長增量的變化關系曲線。
[0024]其中，I為一號微懸臂梁傳感器、2為二號微懸臂梁傳感器、3為三號微懸臂梁傳感器、4為納米諧振腔、5為犧牲層、6為硅層、7為基底層、8為激光器、9為偏振光選擇器、10為一號光纖、11為二號光纖、12為檢測器，1-1為一號微懸臂梁傳感器的基座，2-1為二號微懸臂梁傳感器的基座，3-1為三號微懸臂梁傳感器的L形基座。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:參照圖1、圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器1、它包括一號微懸臂梁傳感器1、二號微懸臂梁傳感器2、三號微懸臂梁傳感器3和納米諧振腔4，
[0026]所述一號微懸臂梁傳感器I和二號微懸臂梁傳感器2的結構相同，所述一號微懸臂梁傳感器I為長方體的平板結構，該平板結構的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔4，所述納米諧振腔4平行于所述平板結構的短邊；在所述兩條納米諧振腔4與所述平板結構的末端之間的背面設置有凸起的基座1-1 ；
[0027]二號微懸臂梁傳感器2位于三維直角坐標系的XOZ平面上，且二號微懸臂梁傳感器2的基座2-1位于Y軸負方向，一號微懸臂梁傳感器I位于三維直角坐標系的XOY平面上，且一號微懸臂梁傳感器I的基座1-1位于Z軸負方向，所述一號微懸臂梁傳感器I位于二號微懸臂梁傳感器2兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器I 一個側面與二號微懸臂梁傳感器2首端側面位于同一平面內；[0028]所述三號微懸臂梁傳感器3為L形的平板結構，且所述三號微懸臂梁傳感器3的底端為L形基座3-1，所述L形的平板結構的內側面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔4，所述納米諧振腔4平行于所述L形的平板結構的頂邊，且所述納米諧振腔4位于YOZ面上，所述三號微懸臂梁傳感器3位于三維直角坐標系的YOZ平面上，且三號微懸臂梁傳感器3的L形基座3-1位于X軸正方向，所述一號微懸臂梁傳感器I的頂端垂直且平分三號微懸臂梁傳感器3的L形基座3-1，且一號微懸臂梁傳感器I的一個側面與三號微懸臂梁傳感器3的外側面位于同一平面內。
[0029]本實施方式是為了限定三個微懸臂梁傳感器的位置關系，由圖1、圖2和圖3中獲知，建立空間直角坐標系，二號微懸臂梁傳感器2的正面平行于XOZ平面，一號微懸臂梁傳感器I的正面平行于XOY平面，三號微懸臂梁傳感器3的正面平行于YOZ平面。所述三號微懸臂梁傳感器3為L形的平板結構。二號微懸臂梁傳感器2與一號微懸臂梁傳感器I垂直，一號微懸臂梁傳感器I與三號微懸臂梁傳感器3垂直。一號微懸臂梁傳感器I的基座1-1固定在二號微懸臂梁傳感器2的左端，一號微懸臂梁傳感器I的基座1-1距離二號微懸臂梁傳感器2的上表面的左右兩端的距離相等；一號微懸臂梁傳感器I的頂端垂直固定在三號微懸臂梁傳感器3的L形基座3-1的底面，一號微懸臂梁傳感器I的一個側面(圖1中的左側面)與二號微懸臂梁傳感器2的首端側面在同一平面，三號微懸臂梁傳感器3的外側面與一號微懸臂梁傳感器I的一個側面(圖1中的左側面)在同一平面。
[0030]一號微懸臂梁傳感器I用于測量Z方向的力，二號微懸臂梁傳感器2用于測量Y方向的力，三號微懸臂梁傳感器3用于測量X方向的力，使得X，Y和Z方向的力的測量相互不干擾，從而實現三維力的測量。
[0031]納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上，也可以稱之為納米諧振腔的制備方法，是微機電系統中常用的一種制備方法。參照圖4說明納米諧振腔的制備方法。其中，5為犧牲層、6為硅層、7為基底層。在本發明中，通過采用平版印刷技術和等離子束刻蝕的方法將諧振腔嵌在一號微懸臂梁傳感器和二號微懸臂梁傳感器上。微懸臂梁傳感器屬于現有技術，微懸臂梁傳感器包括硅模板。該硅模板主要由頂部犧牲層，硅層和基底層構成。首先通過熱處理的方法在硅模板表面制備氧化物硬化層。然后通過平板印刷術在犧牲層上制備出有序的多孔圖案化結構。最后利用等離子束刻蝕的方法對硅層進行加工，也就實現了將納米諧振腔嵌在微懸臂梁傳感器上。諧振腔是存在一定缺陷的周期性排列的有序結構，也就是微懸臂梁傳感器上的微孔結構，是貫穿微懸臂梁傳感器的通孔。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器作進一步說明，本實施方式中，納米諧振腔4的形狀為帶狀。
[0033]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器作進一步說明，本實施方式中，一號微懸臂梁傳感器I上的兩條納米諧振腔4的長度與所述一號微懸臂梁傳感器I的寬度相等。
[0034]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器作進一步說明，本實施方式中，所述納米諧振腔4為三維光子晶體。
[0035]光子晶體的原理:光子晶體將兩種或兩種以上介電常數不同的材料在空間周期性排列形成的有序結構。當電磁波在其中傳播時，由于光子與周期性勢場的相互作用而形成光子帶隙，這樣頻率位于光子帶隙范圍內的電磁波就不能在其中傳播。通過對光子晶體的周期性結構進行修飾，打破晶體上周期性排列的晶格結構，在波導上上形成點缺陷強烈的電場束縛以及小模態體積的作用使得傳感器對該處變折射率該變量并且非常適合對彈性體的微笑形變做分析。在本發明中，光子晶體指的是三維光子晶體，即在三維尺度上存在的周期性有序結構，也就是微懸臂梁上的周期性有序的微孔結構。
[0036]【具體實施方式】五:本實施方式是一個實施例，是采用本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器進行三維力測量的一個實驗。
[0037]實驗前期準備:光纖、激光器、偏振光選擇器、光纖盒檢測器，選用長為30 μ m寬為15 μ m的微懸臂梁傳感器。
[0038]參照圖5說明本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的測量原理。本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的測量光源為激光源。圖中，8為激光器、9為偏振光選擇器、10為一號光纖、11為二號光纖、12為檢測器。
[0039]實驗過程:當激光器8發射激光光源以后，激光光源通過偏振光選擇器9后，偏振光選擇器9輸出TE模式的偏振光(TE和TM模式是電磁波的兩種傳播模式，TE模式的波是電矢量與傳播方向垂直的電磁波)，該TE模式的偏振光經一號光纖10匯聚后接入到本發明所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器的光子晶體的波導處，也就是納米諧振腔4的輸入端，然后納米諧振腔4的輸出端輸出該TE模式的偏振光至二號光纖11，通過二號光纖11將該TE模式的偏振光傳送至檢測器12，實驗中檢測器12為InGaAs光電二極管，從而實現對輸出光的波長進行測量。然后將本發 明測量得到的輸出光的波長輸入至計算機，通過計算機仿真軟件ANSYS獲得被測力與輸出波長的變化關系曲線。
[0040]實驗結果:如圖6、圖7和圖8所示為被測力與輸出波長的變化曲線，由圖6、圖7和圖8中得到，在X方向上，被測力和輸出波長的變化關系曲線為y=_l.7371xx+1444.1，其中，y為輸出波長，單位為mm，xxS X方向分力，單位為μ N ;在Y方向上，被測力和輸出波長的變化關系曲線為y=_0.0645χy+1444.1，其中，y為輸出波長，單位為mm，χy為Y方向的分力，單位為μ N;在Z方向上，被測力和輸出波長的變化關系曲線為y=_0.1258xz+1444.1，其中，y為輸出波長，單位為mm，xz為冗方向的分力，單位為μ N。圖9、圖10和圖11是被測力與輸出波長增量的變化曲線。
【權利要求】
1.一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，它包括一號微懸臂梁傳感器(1)、二號微懸臂梁傳感器(2)、三號微懸臂梁傳感器(3)和納米諧振腔(4)，所述一號微懸臂梁傳感器(I)和二號微懸臂梁傳感器(2)的結構相同，所述一號微懸臂梁傳感器(I)為長方體的平板結構，該平板結構的正面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔(4)，所述納米諧振腔(4)平行于所述平板結構的短邊；在所述兩條納米諧振腔(4)與所述平板結構的末端之間的背面設置有凸起的基座(1-1);二號微懸臂梁傳感器(2)位于三維直角坐標系的XOZ平面上，且二號微懸臂梁傳感器(2)的基座(2-1)位于Y軸負方向，一號微懸臂梁傳感器(I)位于三維直角坐標系的XOY平面上，且一號微懸臂梁傳感器(I)的基座(1-1)位于Z軸負方向，所述一號微懸臂梁傳感器(I)位于二號微懸臂梁傳感器(2)兩條短邊的中心連線上，且一號微懸臂梁傳感器(I) 一個側面與二號微懸臂梁傳感器(2)首端側面位于同一平面內； 所述三號微懸臂梁傳感器(3)為L形的平板結構，且所述三號微懸臂梁傳感器(3)的底端為L形基座(3-1)，所述L形的平板結構的內側面嵌有相互平行的兩條納米諧振腔(4)，所述納米諧振腔(4)平行于所述L形的平板結構的頂邊，且所述納米諧振腔(4)位于YOZ面上，所述三號微懸臂梁傳感器(3)位于三維直角坐標系的YOZ平面上，且三號微懸臂梁傳感器(3 )的L形基座(3-1)位于X軸正方向，所述一號微懸臂梁傳感器(I)的頂端垂直且平分三號微懸臂梁傳感器(3 )的L形基座(3-1)，且一號微懸臂梁傳感器(I)的一個側面與三號微懸臂梁傳感器(3)的外側面位于同一平面內。
2.根據權利要求1所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，納米諧振腔(4)的形狀為帶狀。
3.根據權利要求1所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，一號微懸臂梁傳感器(I)上的兩條納米諧振腔(4)的長度與所述一號微懸臂梁傳感器(I)的寬度相等。
4.根據權利要求1所述的一種三維納米尺度光子晶體力傳感器，其特征在于，所述納米諧振腔(4)為三維光子晶體。
【文檔編號】G01L1/24GK103808441SQ201410074862
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】李隆球, 張廣玉, 紀鳳同, 李天龍 申請人:哈爾濱工業大學